capitulo 4.- dimensionamiento de tuberÍas reter perÚ

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RETER

E.I.R.L.

REFRIGERACION TERMODINAMICA

CAPACITACION A NIVEL NACIONAL REFRIGERACION Y AIRE ACONDICIONADO-A Empresas de Lima y Provincias con sus mismos equipos -A Instituciones Privadas y Estatales en Nuestra Escuela -A Ingenieros y Tcnicos en Nuestra Escuela

Telef.-: 241-6763 / 9994-9953

ESAAR: ESCUELA SUPERIOR DE AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACION

CAPITULO 4 :

LINEA DE ALTA O DESCARGA LINEA DE BAJA O SUCCION LINEA DE LIQUIDO

EXPOSITOR : ING. WILLIAN MORALES, ESPECIALIZADO EN COLOMBIA CUBA - MEXICO

UBICACIN DE LAS TUBERIAS

LINEA DE LIQUIDO

DESCARGA

BAJA SUCCIN - ASPIRACIN

LA CAPACIDAD DE LAS LINEAS DE REFRIGERANTE

Tuberas muy pequeas: No aseguran un suministro adecuado de refrigerante en todos los evaporadores Producen perdidas excesivas de presin de refrigerante, que reducen innecesariamente la capacidad y eficiencia del sistema

Tuberas muy grandes: No garantizan el retorno positivo y continuo del aceite al carter del compresor Aumentan excesivamente el costo de la instalacin

LA CAPACIDAD FRIGORIFICAEl tamao adecuado de la tubera de refrigerante debe corresponder a la capacidad frigorfica de la instalacin Cmo? La capacidad frigorfica se determina por la cantidad o masa de refrigerante que se vaporiza en el evaporador, absorbiendo el calor necesario del ambiente

Q 0 ! m R q!0Donde: mR = masa de refrigerante en Kg/h qo = calor frigorifico especifico en Kcal./Kg.

.

Por la ley de la continuidad, la misma masa de refrigerante debe pasar por todos los componentes del sistema, el compresor, condensador, evaporador y las tuberas

LA CAPACIDAD FRIGORIFICALa corriente de masa que pasa por un tubo se calcula con:

Masa de refrigerante = A . U . g . 3600 Kg/hDonde: A = rea del tubo en m2 U = Velocidad de la corriente en m/s g = Peso especifico en Kg/m3 La corriente de masa mR es igual en todas las partes de la tubera, en la lnea de succin, lnea de descarga y lneas de liquido. Sin embargo, como el estado fsico del refrigerante estado de agregacion, temperatura, presion, peso o volumen especifico, etc es diferente en los distintos tramos del sistema, cada uno de ellos exige unas consideraciones especiales

CAPACIDAD DE LA LNEA DE SUCCIN

q0E.R.U. CON RECALENTAMIENTO Y SUBENFRIAMIENTO

MATEMATICAMENTE LA CAPACIDAD SERA:

D2 v 1 Q! v U v v 3,600 v q 0 4 v 4 Qvv 2 D ! v U v 3600 v q 0Q = capacidad de la lnea de succin en Kcal/hr U = velocidad media de la corriente del refrigerante por el tubo, en m/s D = dimetro en m. V = volumen especifico en m3/Kg qo = entalpa del refrigerante en Kcal/Kg Bajo la suposicin de que la temperatura del lquido antes de la VET. Es Igual a 30C, es decir con una temperatura de condensacin aproximada de 35C y el sobrecalentamiento en la succin de 5C (10F) que es lo que se acostumbra, Se construye la siguiente tabla.

CONCLUSIONES ADICIONALES Con la disminucin de la temperatura de evaporacin el volumen especifico aumenta y la capacidad frigorfica disminuye, en consecuencia la capacidad de la tubera de succin disminuye a medida que la temperatura de evaporacin disminuye, es decir que la tubera de succin ser de mayor dimetro, para bajas temperaturas que para altas temperaturas

PROBLEMA:Debemos de encontrar el dimetro de succin en un sistema de aire acondicionado que utiliza R-22, de 60,000 BTUH, con una velocidad del gas en el tubo es de 7.5 m/s, con una temperatura de lquido de 30C (86F) temperatura de evaporacin Igual a 0C (32F), y con un sobrecalentamiento normal de 5C(10F).

Kcal BTU BTU Kcal v4 z4 , hora hora hora horaUTILIZAREMOS LAS TABLAS SIGUIENTES PARA EL PROBLEMA

tabla de volmenes especficos y capacidad frigorfica especificaTevap. C +10 +5 0 -10 -20 -30 R-12 v(m3/ Kg) 0.043 0.051 0.058 0.078 0.115 0.165 R-12 q(Kcal /Kg) 31.8 31.4 30.8 29.6 28.4 27.3 R-22 v(m3/ Kg) 0.035 0.040 0.048 0.067 0.095 0.138 R-22 q(Kcal /Kg) 42.0 41.4 40.8 39.6 38.4 37.4 R-502 v(m3/ Kg) 0.024 0.027 0.034 0.044 0.060 0.090 R-502 q(Kcal /Kg) 29.2 28.7 28.2 27 25.9 24.6 R-717 v(m3/ Kg) 0.21 o.25 0.30 0.42 0.65 1.00 R-717 q(Kcal /Kg) 72 71 70 68 64 61

TABLA DE VELOCIDADES RECOMENDADAS Instalaciones Industriales grandes Lneas de succin Lneas de descarga Lneas de liquido Instalaciones comerciales medianas y pequeas

12.5 m/s 7.5 m/s 2461 ppm 1476 ppm 17.5 m/s 10.0 m/s 3445 ppm 1968 ppm 0.5 1 m/s 197 98 ppm

SOLUCIN

D v 1 15,000 ! v 7.5 v v 3,600 v 40.8 4 0.048 2 D v 15,000 v 0.048 4 ! ! 6.5359 v10 4 7.5 v 3,600 v 40.8 D ! 8.3218 v10

2

?

4 0.5

A

! 0.0288

1 D ! 0.0288metros ! 1.13pulg(1 pulg.) 8

QUE SUCEDE SI LE COLOCAMOS UNA TUBERA DE 7/8

0.0222252 v 1 Q0 ! v 9.642 v v 3,600 v 40.8 4 0.048 7" ! 0.875" ! 0.022225m 8 Kcal BTU Q 0 ! 11,446.21 ! 45,407.99 hr hr asumiendo que la velocidad aumenta en razon de su 1 1 dimetro es decir 8 ! 1.2857 7.5 v 1.2857 ! 9.642 7 8 De todas maneras hay una merma de capacidad por tubo de menor dimetro

CONCLUSIONES ADICIONALES Con la disminucin de la temperatura de evaporacin el volumen especifico aumenta y la capacidad frigorfica disminuye, en consecuencia la capacidad de la tubera de succin disminuye a medida que la temperatura de evaporacin disminuye, es decir que la tubera de succin ser mas gruesa para bajas temperaturas que para altas temperaturas, para esto nosotros simulamos como si hubiera una cada de presin en la tubera, producindose por lo tanto una variacin en el volumen especifico del refrigerante y una cada en la produccin frigorfica del refrigerante a esa nueva presin. Supongamos que cayera hasta una temperatura de evaporacin de -10C para usar la tabla anterior y recalculemos. PROBLEMA: Debemos de encontrar el dimetro de succin en un sistema de aire acondicionado que utiliza R-22, de 60,000 BTUH, con una velocidad del gas en el tubo es de 7.5 m/s, con una temperatura de lquido de 30C (86F) de evaporacin Igual a 0C (32F), y con un sobrecalentamiento normal de 5C(10F), realizaremos este problema cambiando el volumen especifico hasta su nuevo valor de 0.067 m3/Kg, y la produccin frigorfica de 39.6 Kcal/Kg, correspondiente a una temperatura de evaporacin menor de -10C, esa es la tendencia del refrigerante al aumentar la cada de presin en la tubera.

CONCLUSIONES ADICIONALES

D v 1 15,000 ! v 7.5 v v 3,600 v 39.6 4 0.067 D2 v 15,000 v 0.067 ! ! 9.39955 v 10 4 4 7.5 v 3,600 v 39.6 D ! 0.03459 m. 3 D ! 0.03459 metros ! 1.361 pulg(1 pulg.) aproximadamente 8ESTO NOS INDICA MATEMATICAMENTE QUE A MEDIDA QUE EL TRAMO DE TUBERIA ES MAS LARGO, LA TENDENCIA ES AUMENTAR EL DIAMETRO DEL TUBO PARA MANTENER UNA CAIDA DE PRESION DENTRO DEL RANGO ESTIMADO DE 3 PSI.

2

La cada de presin crece sobre todo con: - El cuadrado de la velocidad - La longitud de la tubera Problema: Una planta con R-12 que trabaja con una temperatura de evaporacin De 20C con una cada de presin en la linea de succin de 0.3 Kg./cm 2 Cual es la disminucin de la capacidad frigorfica slo por el aumento del volumen especfico del vapor de succin correspondiente? Solucin:

V1 = 0.115 m3/Kg V2 = 0.14 m3/Kg

CONTINUA . Con la temp. De evaporacin = 20C y temp. Sobrecalentada = -15C V1 = 0.115 (de la tabla anterior) m3/Kg Para esta temperatura (-20C) se encuentra en tablas que corresponde 1.54 Kg/cm2 de presin de saturacin. Como la cada de presin en la lnea de succin es de 0.3 Kg/cm2 , la presin de saturacin menos 0.3 Kg/cm2 , el resultado quedara como 1.24 Kg/cm2, con esta presin buscamos el nuevo volumen especifico en la llegada del compresor este seria 0.14 Kg/cm2.

m3 v1 ! 0.115 KgCon el aumento del volumen especifico y disminucin del flujo de masa de refrigerante la capacidad frigorfica, tambin se reduce en un 20%

m3 v 2 ! 0.140 Kg m3 v ! v 2 v1 ! 0.140 115 ! 0.025 Kg 115 ! 0.82(del20%) DisminucindeQ 0 ! 140

TUBOS DE SUCCIONEl refrigerante en estado gaseoso en este recorrido por la lnea de succin se encuentra a temperaturas muy bajas, haciendo que el aceite se vuelva mas viscoso y dificultando su retorno al compresor

Velocidades mnimas de gas dentro del tubo de succin: Tramos verticalesR12 Y R-134a 2 psig

Tramos horizontales 500 pies/min. (150 m/min) 1000 pies/min (305 m/min)Cadas de presiones mnimas de gas dentro del tubo de succin: R22 y R 502 (R-404A) psig, produciendo un cambio de 2 F 3

Nota: una cada de presin mayor reduce la capacidad del compresor para bombear y aumenta la potencia elctrica necesaria, se expresa en psi tambin se puede expresar en F. hay una equivalencia til entre, 3psi = 0.2 Kg/cm2

TRAMPAS EN LA LINEA DE SUCCION EVAPORADOR LOCALIZADO ABAJO DEL COMPRESOREl propsito de la trampa es el de drenar aceite y refrigerante liquido fuera de la lnea en la que se fijo el bulbo sensor de la vlvula de expansin. Esto es recomendado por los fabricantes de dichas vlvulas con el fin de evitar una operacin errtica Hacia el compresor

TAMBIEN PARA RETORNO DEL ACEITE AL COMPRESOR POR REDUCCIN DEL REA DE PASO Y POR EL CONSIGIENTE AUMENTO DE LA VELOCIDAD DE ARRASTRE EN LA TRAMPA

TRAMPAS EN LA LINEA DE SUCCIONEVAPORADOR LOCALIZADO ENCIMA DEL COMPRESOR SE COLOCA UNA TRAMPA INVERTIDA A LA SALIDA DEL EVAPORADOR ES DECIR EL TUBO SUBE POR ENCIMA DEL NIVEL DEL LA TUBERIA DE SALIDA DEL EVAPORADOR, PARA LUEGO BAJAR HACIA EL COMPRESOR. PARA EVITAR EL RETORNO IMPREVISTO DEL ACEITE EN EL MOMENTO DEL ARRANQUE

El propsito de la trampa invertida, es para evitar que el refrigerante y el aceite se escurra hacia el compresor durante el ciclo de paro

PARA SISTEMAS DE CAPACIDAD VARIABLES DEBIDO AL CONTROL DE CAPACIDADVelocidad recomendada en estos casos no menor de 1500 pies/min (460 m/min) para asegurar el regreso del aceite hacia arriba de la subida

AISLAMIENTO EN LA LINEA DE SUCCION Las lneas de succin deben aislarse debido a que:1.- El calor absorbido por el gas de succin no produce enfriamiento til, pero impone una CARGA ADICIONAL AL MOTOR - COMPRESOR. 2.La alta temperatura del gas de succin causa sobrecalentamiento a los devanados del motor, CARBONIZACIN DEL ACEITE Y ALTA TEMPERATURA DEL CABEZAL. 3.- La humedad se condensara en la lnea de succin, lo cual podra causar daos en ciertas reas.

TUBOS DE DESCARGA O GAS CALIENTESeleccione los que tengan un dimetro lo suficientemente pequeo como para dar una velocidad adecuada para arrastrar hacia el condensador el aceite caliente vaporizado, y por otro lado , el dimetro debe ser los suficientemente grande como para evitar demasiada cada de presin Velocidades mnimas de gas dentro del tubo de succin: Tramos horizontales 500 pies/min. (150 m/min) Tramos verticales 1000 pies/min (305 m/min)|

Cadas de presiones mximas de presin dentro del tubo de lquido:

6 psigNota: un cambio de presin mayor origina ruido, vibracin, una reduccin seria en la capacidad del sistema y un incremento de consumo de energa

TRAMPAS EN LA LINEA DE DESCARGAEl propsito de la trampa en la lnea de descarga es el de minimizar la posibilidad de que aceite y refrigerante se escurran hacia el cabezal del compresor durante el ciclo de PARO para los condensadores remotos. Muchas unidades tienen una trampa construida de fabrica en la lnea de descarga antes de salir del gabinete de la unidad. En estos casos no es necesario agregar una segunda trampa Hacia el condensador remoto

AISLAMIENTO EN LA LINEA DE DESCARGA Las lneas de descarga deben aislarse excepto bajo las siguientes condiciones: 1.- Cuando las lneas de descarga pasen a travs del espacio acondicionado 2.- Cuando las lneas de descarga estn localizadas de manera tal que haya peligro de contacto personal 3.- Cuando las lneas de descarga estn en contacto, o muy cerca una de la otra ocasionando un intercambio de calor en la lnea de liquido

TUBOS DE LIQUIDOLas lneas de liquido son las menos criticas de disear debido a que: el aceite refrigerante es miscible con el refrigerante en forma liquida, garantizando la mezcla y el retorno del aceite, las bajas velocidades de liquido y trampas no causan problemas al retorno de aceite, y la cada de presin no afecta directamente a la capacidad del sistema Kg P e 3psi ! 0.2 2 Las lneas de liquido se disean para: cm

a.- Una cada de presin total debido a la perdida por friccin de 3 a 6 psig. Similar a un cambio de 1 a 2 F en la temperatura de saturacin b.- Que el liquido sub-enfriado alcance el dispositivo de control de refrigerante ES DECIR A LA VLVULA DE EXPANSIN EN TOTAL ESTADO LQUIDO. para evitar la formacin de gas instantneo (flash gas). para esto hay que SUBENFRIAR LA LNEA

GAS INSTANTNEO EN LA TUBERA DE LQUIDO (FLASH GAS).

Esto tiene efectos perjudiciales las cuales son: Incrementa las perdidas de presin en la lnea debido a la friccin que a su vez causa mas gas instantneo Reduce la capacidad del dispositivo de control de refrigerante, mermando la capacidad de enfriamiento del evaporador (Vlvula de expansin) Produce erosin y desgaste en el asiento del dispositivo de control de refrigerante (Vlvula de expansin) Ocasiona un control errtico del refrigerante que entra al evaporador

SELECCION DE LAS TUBERIAS DE LIQUIDO Y SUCCION

RECOMENDACIONES PARA ENTRAR A LAS TABLAS1.- Al respecto de las unidades, para pasar de BTU/HR a Kcal./HR dividir por 4, si es de Kcal./HR a BTU/HR se multiplica por 4 2.- La temperatura de evaporacin a considerar para el aire acondicionado debe de ser de 0C, de 34F, Si consideramos una temperatura de evaporacin mayor como 7.2C, la capacidad del equipo aumenta como Tambin aumenta la temperatura de suministro y la presin de baja en las tuberas seria mayor en dimetro y aumentara la velocidad del gas dentro de la tubera. 3.- La temperatura de condensacin a considerar para el acondicionamiento de aire debe de estar regida por la frmula siguiente: Tcond. = Tambiente + DT.cond El DT.cond. Para el aire acondicionado es de 17C (30.6F) La temperatura de ambiente del lugar, debe de ser el promedio del mes ms caluroso del ao. 4.- La cada de presin debe de ser igual o menor de 3 psig de 0.2 Kg/cm2 y en grados centgrados entre 1C a 2C.

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE LIQUIDO HASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYOR R-12LONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO INMEDIATO SUPERIOR

R-134a

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE SUCCIONHASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYOR LONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO SUPERIOR

R-12 R-134a

VELOCIDAD = 7.5 M/S

HASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYOR LONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO INMEDIATO SUPERIOR

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE LIQUIDO

R22

A. Acond.

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE SUCCIONHASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYOR LONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO INMEDIATO SUPERIOR

R-22

VELOCIDAD = 7.5 M/S

6,694 Kcal/hora

A. Acond. Te = 0C

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE SUCCIONHASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYOR LONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO INMEDIATO SUPERIOR

R22

VELOCIDAD = 7.5 M/S

8,122 Kcal/hora

A. Acond. Te = 5C

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE DESCARGAHASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYOR LONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO INMEDIATO SUPERIOR

R22

A. Acond.

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE LIQUIDO R-502 HASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYORLONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO INMEDIATO SUPERIOR

R 404A

HASTA UNA LONGITUD EQUIVALENTE DE 15 METROS A MAYOR R-502 LONGITUD SE TOMA EL DIAMETRO INMEDIATO SUPERIOR

TABLA DE SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIA PARA LA LINEA DE SUCCION

R 404A

VELOCIDAD = 7.5 M/S

MEDIDAS DE TUBOS

RECOMENDACIONES Y FRMULAS BSICAS

PARA LA LNEA DE BAJA:1.- La cada de presin de la lnea de baja en 1 psi. (equivalente a 2F) reduce la capacidad frigorfica del sistema en 1% 2.- Por lo general no debe de aceptarse una cada de presin mayor a 3 psi 3.- La velocidad del gas dentro del tubo debe de ser no menor de 1000 ppm. (pies por minuto) para las subidas. 4.- La tubera de succin se asla trmicamente para que el recalentamiento total del sistema no exceda a 30F, de esta manera la temperatura de salida del compresor no exceder de 230F (110C), por esta razn el aceite del compresor no corre peligro de carbonizarse y tambin la temperatura del cabezal del compresor no estar en nivel crtico. 5.- Si la lnea de succin tiene una longitud de 30 pies o mayor, en este caso se debe de colocar una trampa cada 15 pies en las lneas verticales

PARA LA LNEA DE ALTA:1.- La cada de presin de la lnea de ALTA debe ser de 3 6 psi, igual a una cada de temperatura de 1 a 2F existe una prdida de capacidad del 1% por cada 5psi. De cada de presin en la lnea de alta. 2.- Por lo general para condensadores remotos a una elevacin mayor que el compresor se coloca una trampa para que el aceite y el refrigerante no se escurra hacia el cabezal del compresor en los momentos de descanso del compresor. 3.- La velocidad del gas dentro del tubo de alta no es trascendente pero debe de estimarse entre 1,500 ppm. A 3,000 ppm.. 4.- La tubera de alta se asla trmicamente en caso de que pase por un local. acondicionado, cuando represente peligro de quemadura a las personas y cuando est cerca de la lnea de baja y la pueda recalentar inconvenientemente 5.- Si la lnea de alta tiene una longitud de 30 pies o mayor, en este caso se debe de colocar una trampa cada 15 pies en las lneas verticales

PARA LA LNEA DE LQUIDO: 1.- La lnea de lquido debe de subenfriarse por lo menos 10F, para que llegue en un estado de 100% lquido a el dispositivo de expansin. 2.- Por lo general la cada de presin esta entre 3 psi. a 6 psi. (1 2 F)

3.- Con 10F de subenfriamiento se puede tener una cada de presin en la lnea de hasta 20 psi. Antes de formar gas instantneo. 4 .- Esta cada de presin puede utilizarse para las lneas verticales en donde se asume que por cada 2 pies de subida hay una cada de 1 psi. 5.- Si la lnea de lquido no requieren aislamiento salvo cuando estn sometidas a la radiacin solar, cuartos de calderas u otro que se encuentre caliente. No confundir con que algunas (seudo lneas de lquidos) en donde ya viene el refrigerante a la presin del evaporador ya que la presin de liquido alta fue reducida en la unidad condensadora mediante un capilar, en este caso si deben de aislarse ya que es un caso muy diferente, esto se hace para que no se sienta el ruido molesto del pase de lquido dentro del espacio acondicionado.

EJEMPLO GRAFICO DE SELECCIN DE TUBERIAS DATOS: REFRIGERANTE R 22

AIRE ACONDICIONADO , TEMP. DE EVAPORACIN = 0C AIRE ACONDICIONADO TEMPERATURA DE CONDENSACIN = 35C CAIDA DE PRESIN MENOR A 3 PSI. POTENCIA FRIGORFICA 60,000 BTUH = 17.445 KW TUBERA ASUMIDA A COMPROBAR SU EFECTTIVIDAD DE 1 1/8 DE PULGADA FACTORES DE CONVERSIN A USAR: BTUH X 4 = KCALH KCALH X 0.001163 = KW 1000 PASCALES = 1 KILO PASCAL PASCAL X 1.450389 EXP. - 4 = PSI

17.445 Kw

BACO DE CADA DE PRESIN DEL R-22TUBERIA DE 1 1/8 PULG. TEMP. DE EVAP.=0C

TEMP. CONDENS. = 35C

CAIDA DE PRESION = 0.64 Kpa/m 640 Pa X 1,450389 x 10 exp (-4) = 0.0928 psi/m Para 15 m ser: 0.0928 x 15 = 1,39 psi (OK)

NOTA: Tomar las mismas recomendaciones que se tomaron para el uso de las tablas de seleccin

PROGRAMA DE CLCULO DE TUBERAS

tuberias.exe

RETER PER: ORGULLOSOS DE SER PERUANOS